Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Kapitel 7 Fyrverkeri i olika färger Atomstruktur och periodicitet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Illuminerad saltgurka Kapitel 7 Innehåll Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Kapitel 7 Innehåll 7.1 Elektromagnetisk strålning 7.2 7.3 Väteatomens ljusspektrum 7.4 Bohrs atommodell 7.5 7.6 Kvanttal 7.7 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen 7.9 Atomer med fler än en elektron 7.10 7.11 Aufbauprincipen och det periodiska systemet 7.12 i atomegenskaper 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Ljus, radio, röntgen, mikrovågsugnar Energi kan färdas genom rymden som elektromagnetisk strålning Denna karaktäriseras av våglängd (λ), frekvens (υ) och ljusets hastighet (c = 2.9979 10 8 m/s). Dessa tre storheter är relaterade i ekvationen λ υ = c. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1
Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Egenskap hos vågor: kort våglängd hög frekvens Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Klassificering av Elektromagnetisk strålning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Materiens karaktär Ljuspartiklarna har massa Max Planck (1858 1947) visade att energi i strålning kan tillföras eller bortföras endast i kvanta Albert Einstein (1879 1955): Ljusvågor kan ses som en stråle av partiklar som kallas fotoner E = mc 2 E = energiförändring [ J ] h = Plancks konstant, 6.626 10-34 J s ν = frekvens [ s -1 ] λ = våglängd [ m ] E = energi [ J ] m = massa [ kg ] c = ljusets hastighet = 2.9979 10 8 m/s Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 Elektromagnetisk strålning har både våg-lika och partikel-lika egenskaper. Ljusets duala natur Vågkaraktären Partikelkaraktären Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12 2
Louis de Broglie (1892 1962): alla små partiklar har vågegenskaper de Broglie s Ekvation: de Broglies postulat verifieras med diffraktionsexperiment λ = våglängd [ m ] h = Plancks konstant = 6.626 10 34 J s m = massa [ kg ] ν = frekvens [ s 1 ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Avsnitt 7.3 Väteatomens ljusspektra Väteatomens ljusspektrum Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell En heltäckande atommodell Kontinuerligt spektrum: Innehåller alla av ljusets våglängder. Ger vitt ljus Bandspektrum : Innehåller bara några av ljusets våglängder. Här t.e.x. väteatomens ljusspektrum Niels Bohr (1885 1962): i en väteatom rör sig elektronen runt atomkärnan endast i vissa tillåtna cirkulära banor. E = Energinivåerna i väteatomen z = kärnladdning (för väte är z = 1) n = ett heltal; n = 1: Grundtillstånd Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell Elektronövergångar i Bohrs atommodell för väteatomen Bohrs atommodell förkastas efter att en ny teori läggs fram i mitten av 1920-talet: Werner Heisenberg (1901 1976) Louis de Broglie (1892 1987) Erwin Schrödinger (1887 1961) Den nya modellen utgår från elektronens vågegenskaper. Elektronen i väteatomen uppvisar egenskaper som en stående våg. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18 3
En stående våg Schrödingerekvationen ψ = vågfunktion = matematisk operator E = atomens totala fria energi Ekvationens lösningar är vågfunktioner ψ för ett visst värde på E (en viss energi). En sådan vågfunktion ψ kallas en orbital. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 Heisenbergs osäkerhetsprincip x = position mv = rörelsemängd h = Plancks konstant Ju noggrannare vi känner en partikels position, desto osäkrare vet vi dess rörelsemängd. Därför känner vi inte elektronens momentana exakta position Sannolikhetstätheter Kvadraten av vågfunktionen Sannolikheten att finna elektronen nära en given punkt i rymden Den radiala sannolikhetstätheten är sannolikhetstätheten i olika sfäriska skal runt atomkärnan. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Sannolikhetstäthet för 1s-orbital Sannolikheten att finna elektronen nära en given punkt i rymden minskar ju längre ut från atomkärnan man kommer Den radiella sannolikhetsdistributionen. Erhålls om rymden runt atomkärna delas upp i skal (likt en lök) och man beräknar sannolikheten för elektronen att hittas i något av skalen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24 4
Avsnitt 7.6 Kvanttal Kvanttal Avsnitt 7.6 Kvanttal Huvudkvanttal (n = 1, 2, 3,...) avgör orbitalens storlek och energi. Banimpulsmomentkvanttalet (l = 0 till n -1) avgör orbitalens form. Magnetiska kvanttalet (ml = l to - l) avgör orbitalens orientering i rymden. Elektronspinnkvanttalet (ms = +1/2, -1/2) avgör elektronens spinntillstånd. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Orbitalformer och energiernivåer Varje orbital i väteatomen har en unik sannolikhetstäthet Väteatomens s-orbitaler. I (b) visas ytan inom vilken elektronen finns mer än 90% av tiden. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 Väteatomens p-orbitaler. Sannolikhetstätheten för en 3p orbital. (a) Sannolikhetstätheten för en 2p orbital. (b) ytan inom vilken elektronen finns mer än 90% av tiden för alla tre 2p orbitaler. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 5
Representation av 3d orbitaler. Representation av 4f orbitaler Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Orbitalernas energinivåer i väteatomen Avsnitt 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen Elektronspinn och Pauliprincipen Två elektroner i en given atom kan inte ha samma uppsättning av de fyra kvanttalen (n, l, ml, ms). Således kan en orbital högst innehålla två elektroner och de måste ha olika spinn. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Avsnitt 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen En bild av den spinnande elektronen. Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Polyelektroniska atomer Schrödingerekvationen kan inte lösas exakt för atomer med fler än en elektron pga elektronkorrelationsproblemet Ekvationen löses dock approximativt genom att beakta att elektronerna avskärmas från kärnladdningen genom repulsionen de utövar på varandra Lösningarna ger vätelika orbitaler för alla atomer i periodiska systemet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36 6
Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Jämförelse mellan den radiella sannolikhetstätheten för 2s och 2p orbitalerna Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron (a) Radiella sannolikhetstätheten för en elektron i 3s orbitalen. (b) Radiella sannolikhetstätheten för 3s, 3p, och 3d orbitalerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Kapitel 7 Energinivåerna för orbitalerna Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 Periodiska systemet Skapades ursprungligen för att representera de observerade mönstren gällande liknande kemiska egenskaper hos grundämnena. Den ryske vetenskapsmannen Mendeleev uppges ofta vara det periodiska systemets fader. Det moderna periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7
Behov av systematisering När kemin framskred på 1700- och 1800-talen framgick det att jorden bestod av en rad olika grundämnen med högst olika egenskaper. Johan Dobereiner (1780 1849): vissa grundämnen har liknande egenskaper John Newlands (1837 1898): egenskaper upprepas vart 8:de grundämne John Newlands (1837 1898): egenskaper upprepas vart 8:de grundämne Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 År 1872 publicerades följande periodiska system. Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Periodiska systemet 1909, Nordisk familjebok Periodiska systemet 1924, Nordisk familjebok Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8
Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Aufbauprincipen Då antalet protoner ökar i kärnan för att bygga tyngre grundämnen adderas elektroner till de tillåtna vätelika orbitalerna. Syre: 1s 2 2s 2 2p 4 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Hunds Regel Friedrich Hund (1896 1997): den lägsta energikonfigurationen för en atom är att ha det maximala antalet oparade elektroner som tillåts enligt Pauliprincipen i en uppsättning degenerade orbitaler. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Ett diagram som summerar ordningen med vilken orbitalerna fylls i polyelektroniska atomer Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Aufbau och elektronkonfigurationer 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 1H 2He 6C 8O 10Ne 21Sc Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52 Orbitalerna som fylls för respektive grundämne Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet för atomkarakteristika Representativa grundämnen (huvudgruppen): fyller s och p orbitaler (Na, Al, Ne, O) Övergångsmetaller: fyller d orbitaler (Fe, Co, Ni) Lantanid och Aktinidserierna (sällsynta jordartsmetaller): fyller 4f och 5f orbitaler (Eu, Am, Es) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54 9
Avsnitt 7.11 Kapitel 7 Aufbauprincipen och periodiska systemet Valenselektroner Elektronerna i det yttersta principiella kvantnivån hos atomen. De andra elektronerna kallas inre elektroner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56 för atomkarakteristika Grundämnenas (atomslagens) egenskaper uppvisar periodiska trender med ökande relativ atomvikt: Atomradie Joniseringsenergi Elektronaffinitet Elektronegativitet Atomradie i pikometer (10-12 m) för huvudgruppens atomer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57 Periodisk trend Atomradie: ökar nedåt i en grupp. minskar från vänster till höger i en period Joniseringsenergi Energimängden som krävs för att bortföra en elektron från den gasformiga atomen eller jonen. Al(g) Al + (g) + e Al + (g) Al 2+ (g) + e Al 2+ (g) Al 3+ (g) + e I 1 = 580 kj/mol I 2 = 1815 kj/mol I 3 = 2740 kj/mol Copyright Cengage Learning. All rights reserved 59 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60 10
Trender i första joniseringsenergi (kj/mol) för huvudgruppens atomer Första joniseringsenergin för alla grundämnen i de sex första perioderna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 61 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 62 Periodisk trend Första joniseringsenergin: ökar från vänster till höger i en period; minskar nedåt i en grupp. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 63 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 64 Joniseringsenergier för bortförande av inre elektroner Elektronaffinitet Energimängden som omsätts då en elektron tillförs en gasformig atom X(g) + e X (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 65 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 66 11
Elektronaffinitet för atomer bland de 20 första grundämnena som bildar stabila X -joner. Information i Periodiska Systemet 1. Varje gruppmedlem har samma valenselektronkonfiguration (dessa elektroner bestämmer i huvudsak grundämnets kemi). 2. Man kan lätt bestämma elektron-konfigurationen för varje grundämne i systemet 3. Vissa grupper har särskillda namn (alkalimetaller, halogener, etc). 4. Metaller och ickemetaller karaktäriseras av sina kemiska och fysikaliska egenskaper. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 67 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 68 Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Periodiska systemet Några tankar 1. Det är antalet valenselektroner som slutligen bestämmer ett grundämnes kemi. 2. Elektronkonfigurationen kan långt bestämmas utifrån grundämnets placering i det periodiska systemet. 3. Viktiga grupper av grundämnen i det periodiska systemet har olika namn. Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Namn på grupper i det periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 69 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 70 Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Metaller och ickemetaller Copyright Cengage Learning. All rights reserved 71 12